7 Bauwerkssicherheit
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In real fire scenarios, the mechanical and thermal boundary conditions typically differ significantly from those in prescriptive, single member fire tests. For example, interactions between a fire exposed steel reinforced concrete column and the entire building structure, as well as the resulting restraint effects, are not considered in standard fire tests. Using the substructure method, the behavior of a steel reinforced concrete column under fire exposure can be investigated while considering its interaction with the entire building structure. First, the stiffness of the surrounding structure must be identified, e.g., analytically or by numerically based approaches. The result is then used as input for the substructure method. In the presented study, a linear elastic spring is used to model the stiffness of the building. The interaction between the fire exposed column and the surrounding structure may have both positive and negative effects on the fire resistance of the tested structural element.
Grundlagen der Korrosion
(2026)
Das Verständnis für Korrosionsvorgänge im Bauwesen ist maßgebend für junge Ingenieure um die Dauerhaftigkeit von Bauteilen und -werken, außerhalb der normativen Vorgaben bewerten und verstehen zu können. Hierfür legt die Vorlesung zu "Grundlagen der Korrosion" den Grundstein, darauf aufbauend können jegliche Themen die das Bauwesen betreffen bearbeitet werden.
Fully-resolved micromechanical simulations coupling the Lattice Boltzmann Method (LBM) with the Discrete Element Method (DEM) provide high-fidelity insights into granular fluidization. However, the substantial computational demands of such simulations require efficient implementations on supercomputing architectures. This work presents a comprehensive performance analysis of a fully-resolved LBM-DEM model to study granular fluidization, i.e., piping erosion, during the installation of an offshore caisson foundation. The performance evaluation focuses on real-world workloads rather than simplified benchmark problems to obtain realistic performance insights. The study considers a diverse range of state-of-the-art HPC hardware architectures, namely the LUMI and MareNostrum 5 EuroHPC supercomputers, both CPU and GPU partitions. The results demonstrate that GPU-based systems generally outperform the CPU-based systems. Strong and weak scaling analyses were conducted with up to 512 nodes, and parallel efficiencies reached up to 92%. Nonetheless, the results also indicate that atomic add operations on GPUs can become a bottleneck for the parallel efficiency at large scales. Moreover, the study reveals a close link between physical variations of the setup and significant scaling implications, underscoring the need to consider physical model characteristics in scaling assessments.
Intumescent coatings are commonly used in civil engineering to increase the fire resistance of steel structures. In case of a fire, the coating reacts and forms a thermally protective char around the steel member. Thus, the heating of the steel is significantly delayed, and as a result, the fire resistance can be increased. At BAM a minimally invasive in situ test procedure was developed to assess the fire resistance of existing steel structures with applied intumescent coating. Based on the information obtained from these fire tests, numerical simulations were carried out to characterise the thermal protection properties of the intumescent coating using a reverse approach. The paper briefly presents existing numerical approaches from the literature and subsequently introduces the numerical models developed by the authors of this paper. The thermal conductivity of the intumescent coating identified using the numerical simulation resulted in a good accordance of the numerically calculated and experimentally measured steel temperatures. Using the identified material parameter set of the intumescent coating the steel temperatures of a coated structural steel member can be estimated, allowing a prediction of the corresponding fire resistance.
Extrusion-based 3D Concrete Printing (3DCP) offers transformative potential for the construction industry, yet its widespread adoption is hindered by mechanical anisotropy and the lack of tools to accurately predict material performance in design. This research addresses this critical gap by developing and validating a novel Physics-Guided Neural Network (PGNN) framework capable of producing reliable and interpretable anisotropic strength predictions. The PGNN combines a physics-based branch, which models compressive strength as a function of age and water-to-binder ratio (W/B) via a modified Abram’s Law, with a shallow neural network branch that captures residual nonlinear effects from loading orientation and mix design. Training and validation were performed on the largest and most comprehensive international dataset available, generated through the RILEM TC-304 ADC interlaboratory study. The PGNN demonstrated high predictive accuracy on unseen RILEM test datasets (R
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= 0.86–0.89). In addition, the model was applied to six external datasets in a blind test which confirmed reasonable generalisation for typical printing mortars within the compositional range of the training dataset, but was less conclusive for atypical mix designs such as ultra-high-performance and steel-fibre-reinforced composites. The framework yields a transparent formulation, making the relationship between variables and predicted strength directly understandable and allows the application of response surface analyses to gain insight into the influence of mix design variables such as aggregate size, aggregate-to-binder ratio, and W/B on anisotropy. The presented work provides a positive outlook for the transformative potential of physics-guided machine learning in 3D concrete printing to underpin reliable deployment of 3DCP technologies.
The structural health monitoring of bridges and slender towers is usually done by modal analysis. The recent research is focused on better tools for operational modal analysis, on removing environmental conditions and especially the influence of the temperature, on automated monitoring, statistical methods and the use of artificial intelligence. Many structures, however, are not as isolated as bridges or slender towers. They are coupled to other structures, like a floor in a building, or coupled to the soil such as buildings, foundations, or railway tracks. These structures need alternative methods for system and damage identification.
This article, which is an extended version of the contribution to the special session about “other structures” of the 10th International Conference on Operational Modal Analysis, presents some additional or complementary methods to modal analysis and their application to different structures. Section 6.2 derives a method of system identification which is based on the measured frequency response functions and the transformed and weighted system equations. This simple method is applied to the dynamic driving behaviour of a car (Section 6.2) and to the modal analysis of beams and floors (Section 6.3). A special method to extract different mode shapes for closely spaced eigenfrequencies of neighbouring floors and its application to a large wooden multi-bay floor in a castle is presented in Section 6.3. The problem of local hammer excitation, global ambient excitation and global modes is addressed in Section 6.3 for the weakly coupled floor beams in the castle and in Section 6.4 where the condition of a truss member in a roof construction had to be analysed. In Section 6.5, a railway bridge is investigated by modal analysis and by a moving-load method. The quasi-static moving-load method with a slowly moving vehicle and with measured inclinations is further demonstrated for a long six-span footbridge, a short single span foot bridge, and on a laboratory beam in Section 6.6. In Section 6.7, damages of railway tracks are identified from the moving-load responses to normal train operation and by frequency response functions from hammer impacts. The railway tracks are coupled to the soil and the radiation damping into the soil prevents or hides any resonance so that modal analysis is no option. The soil-structure interaction is calculated by a combined finite-element boundary-element method, and the suitable soil properties as well as the extent of the damage are found by a manual model updating. The manual model updating for the identification of suitable soil parameters is demonstrated in Section 6.8 for a small building which is excited by ground vibrations.
Zielstellung des Projekts REALight war die Herstellung von Leichtgranulaten (lightweight aggregates, LWA) aus mineralischen Bau- und Abbruchabfällen auf einer Referenzanlage zur unter Erweiterung der Technologie für die Nutzung weiterer Einsatzstoffe und zur Gipsrückgewinnung. Dies ist Voraussetzung für die Übertragung der Produkt- und Verfahrensidee in die Praxis und den Nachweis der Sulfatabtrennung und -rückgewinnung aus gipshaltigem Material. Es werden Untersuchungen zur Verbreiterung der Rohstoffbasis durch Einkopplung spezifischer Stoffströme durchgeführt. Im Ergebnis soll das zu einer Reduktion des Blähmittelbedarfs und einer Absenkung der Brenntemperatur führen. Die Herstellung ausreichender Mengen an Leichtgranulaten für die umfassende Charakterisierung nach Norm und die Praxiserprobung in bekannten Anwendungen und neuen Einsatzfeldern war ebenfalls Gegenstand des Projekts.
Das Verbundprojekt wurde durch die Bauhaus-Universität Weimar koordiniert. Am Projekt waren 12 Partner aus verschiedenen Bereichen der Baustoffherstellung und -anwendung, Abfallaufbereitung, Verfahrenstechnik sowie Forschung und Entwicklung beteiligt. Die Leichtgranulate wurden in einer Pilotanlage der IAB - Institut für Angewandte Bauforschung Weimar gGmbH in hergestellt. Untersuchungen zur Anwendung der leichten Gesteinskörnungen erfolgten bei den einzelnen Projektpartnern in hydraulisch gebundenen und ungebundenen Systemen. Die Einbeziehung von mehreren kleinen und mittelständischen Unternehmen trägt unmittelbar dazu bei, den Innovationsgehalt des Projekts in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit, die Nutzung und die Eignung der Produkte für marktfähige Anwendungen nachzuweisen. Gleichzeitig geben die Unternehmen Anforderungen an die Eigenschaften der Leichtgranulate vor. Dazu wurden in das Projekt nicht nur zwei unterschiedliche Recyclingspezialisten einbezogen, sondern auch vier Unternehmen, die jeweils für die unterschiedlichen Anwendungsgebiete stehen. Das Projekt war in 12 Arbeitspakete gegliedert, die aufgrund ihrer Komplexität ineinandergriffen. Das Verbundprojekt kann auf der Basis des wissenschaftlich-technischen Innovationsgehalts in folgende Schwerpunkte unterteilt werden:
• Rohstoffassessment zur Erweiterung der Rohstoffbasis über Bau- und Abbruchabfälle hinaus einschließlich Vorbehandlung und Aufbereitung
• Herstellungstechnologie der Leichtgranulate in der Pilotanlage
• Applikation der Granulate in Leichtbetonen, Mörteln, Mörteltrockenmischungen und ungebundenen Systemen
• Sulfatentfrachtung von gipshaltigen Inputmaterialien und Erzeugung von REA-Gips
Das Projekt wurde durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Fördermaßnahme „Ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft – Bauen und Mineralische Stoffkreisläufe (ReMin)“ als Teil der BMBF Strategie „Forschung für nachhaltige Entwicklung – FONA“ gefördert.
Die Eignung von heterogenem ziegelhaltigen Bauschutt als Ausgangsstoff zur Herstellung von leichten Gesteinskörnungen in einem mehrstufigen Prozess wurde im Labor und im Pilotmaßstab nachgewiesen. Das Projekt REALight stellt einen weiteren Schritt für das Scale-up der Technologie dar. Erstmals wurde auch die Möglichkeit der Sulfatentfrachtung näher untersucht. Gleichzeitig wird es durch den Einsatz der in einer Pilotanlage hergestellten großen Materialmengen möglich, in einem umfangreicheren Prüfprogramm die Leistungsbeständigkeit als leichte Gesteinskörnung zu untersuchen. Gleichzeitig können vielfältige Anwendungen und Demonstrationen in gebundenen und ungebundenen Anwendungen erfolgen. Die Einbeziehung neuer mineralischer Reststoffe als Ausgangsstoffe oder Blähmittel für den Prozess kann bei positiven Ergebnissen zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Technologie beitragen. Die Eignung der LWA wurde im Rahmen von REALight für alle angezielten nachfolgenden Anwendungsgebiete nachgewiesen:
• Trockenmörtel- und Mörtelsysteme
• Leicht- und Infraleichtbetone (ILC)
• Leichte Steinergänzungsmörtel für die Denkmalpflege
• Ungebundene Anwendungen für leichte Körnungen
In allen diesen Einsatzbereichen besteht im Hinblick auf eine nachhaltigere Produktion der Druck, dass natürliche oder aus natürlichen Rohstoffen erzeugte Körnungen, wie Bims und andere Vulkangesteine sowie hauptsächlich Blähton, ersetzt werden müssen. Geeignete leichte Gesteinskörnungen auf Sekundärrohstoffbasis sind mit Ausnahme von Blähglas, das aber nicht für alle Anwendungen per se geeignet ist, nicht am Markt vorhanden.
Im Rahmen des Verbundprojekts erfolgte eine enge Zusammenarbeit zwischen den Industriepartnern und den 4 beteiligten Forschungseinrichtungen Bauhaus-Universität Weimar, IAB - Institut für Angewandte Bauforschung Weimar gGmbH, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und der Technischen Universität Clausthal mit dem Institut für Aufbereitung, Recycling und Kreislaufwirtschaftssysteme (IFAD).
Hydrothermal granules are novel lightweight aggregates produced via chemical–hydrothermal transformation of mixed masonry rubble. The process consists of 3 stages: crushing and grinding of the starting materials to powders < 100 µm, forming green granules by granulation and hydrothermal autoclaving at 200 °C and 1.6 MPa saturated steam. The transformation is based on the reaction of quartz and lime to calcium silicate hydrate phases (C-S-H). The products are spherical porous granules with bulk densities of 1.5 g/cm³. This study focuses on the development of mineral phases and pore structure due to the hydrothermal treatment and the influence of the different binders quicklime or paper ash.
Poly(limonene carbonate) (PLimC) is an emerging bio-based polymer produced from renewable limonene and carbon dioxide. To enable its use in technical applications, its fire performance must be improved through meffective and environmentally compatible flame-retardant (FR) strategies. Bio-based FRs—melem phytate, phosphorylated lignin (P-lignin), and biochar—were valorized through investigation of thermal and mechanical properties, flammability, and fire behavior, with aluminum trihydroxide (ATH) included as an environmentally benign mineral FR. Individual effects were assessed using formulations containing 5 wt% melem phytate or 20 wt% of P-lignin, biochar, or ATH. Potential synergistic interactions were subsequently examined by combining melem phytate with each adjuvant at a total loading of 25 wt%. Each additive alone reduced key fire properties, including fire load and peak heat release rate. When melem phytate was combined with an adjuvant, these reductions became even more pronounced—as seen in the Petrella diagram—demonstrating that the mixed formulations provide enhanced FR performance. These enhancements highlight the complementary roles of phosphorus-rich and charring agents in promoting condensed-phase protection. Overall, the results demonstrate a viable pathway toward sustainable, flame-resistant PLimC materials and confirm the effectiveness of bio-based FR systems for meeting fire safety requirements.
Flame retardant polyurethane (PU) foams and thermoplastic PU are proposed for insulation, seat cushioning, or cable jackets. PU consists of alternating segments that tailor the material properties while also determining the pyrolysis and fire behavior. Most PU materials are highly flammable and tend to form pool fires or burning drops; although rigid and flexible PU foams are two different stories, their low thermal inertia results in short ignition times and intensive flame spread. The important PU markets are dying for developing novel flame-retardant PU materials that outperform the existing ones. This work delivers detailed insight into the complex burning behavior of PU-materials. The comprehensive understanding of the physical and chemical processes and their complex interplay, respectively, is presented as the foundation of customized development of future PU materials.